量子计算机的工作原理如何解释？

量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

量子论的一些基本论点显得并不“玄乎”，但它的推论显得很“玄”。我们假设一个“量子”距离也就是最小距离的两个端点A和B。按照量子论，物体从A不经过A和B中的任何一个点就能直接到达B。换句话说，物体在A点突然消失，与此同时在B点出现。除了神话，你无法在现实的宏观世界找到一个这样的例子。量子论把人们在宏观世界里建立起来的“常识”和“直觉”打了个七零八落。

薛定谔之猫是关于量子理论的一个理想实验。实验内容是：这只猫十分可怜，它被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出α粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。这个残忍的装置由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔所设计，所以此猫便叫做薛定谔猫。量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于非死非活的叠加态，这与我们的日常经验严重相违。

要理解量子计算主要从量子算法和量子计算的实现上来看。有些童鞋认为量子计算机不一定比经典计算机快，只适用于特殊情况，需要特殊的算法。这当然没有错，但是这个是很片面的。量子计算的优势主要来自于硬件与经典计算机的完全不同。量子计算的能力主要来自于量子的相干性（叠加态）。这是经典计算机永远不可能达到的。所以量子计算机的计算速度是一定要大于经典计算机的。

当然就跟经典计算机一样，需要优秀的算法，才能使计算能力尽量使用。对于量子计算来说，就需要量子算法来使得量子计算机的计算速度得到最大的利用。比较著名的是shor，Grover，quantum random walk。要找到一个量子算法超越所有的经典算法还是有难度的，当然很多童鞋在做，而且这里也很多关于这些的回答，我也只做过quantumhidden markov model，发了一篇文章就转向做实现去了，所以我也不去凑这个热闹啦。关于量子算法可以参考其他问题的回答，有些还是不错的，也是专业的。

但是，这里几乎没有人去详细讨论量子计算的硬件（或者只是我没有看到），如果要去理解量子计算机的工作原理是不可能绕过硬件去讨论的。首先，什么是通用的量子计算机，有没有标准去衡量。DiVincenzo‘s7 requirements for the implementation of quantum computation（http://arxiv.org/abs/quant-ph?0002077）。这7（5+2）个条件是作为量子计算实现的最核心的条件，说到量子计算机就离不开这7个条件是如何做到的。有兴趣的童鞋可以自己读论文。

现在，物理系统的实现已经有很多很多方案了，比如光子（线性光学），核磁共振（NMR），腔QED，量子点（quantumdot），Redberg atom，离子阱（ion trap），超导系统。这些都是十分有前景的物理实现的方法。他们在7个条件中各有千秋，也各有短板，所以现在都不能称得上最完美的设计。感兴趣的童鞋可以自己找论文去读。这里就不多说了。

再说说量子计算模型，主要有3种，量子线路模型（quantum circuit mode），one way quantum computation model和绝热量子计算模型（adiabatic quantum computationmodel）。量子线路模型是把量子计算过程化成像经典计算一样有不同的“逻辑门”（当然是量子层面的操控）作用在量子态上，最后得到所期待的量子态。one-way quantum computation model是把量子计算，化成通过隐态传输（teleportation）和测量二维团簇态（clusterstate），使得我们可以得到我们想要的量子操控(量子逻辑门）。绝热量子计算模型，是通过先把问题划归成复杂的哈密顿量（Hamiltonian）的基态（ground state）的问题（即找到基态就可以找到最终结果），然后开始与一个简单的哈密顿量，通过绝热过程最后得到所需要的基态。可以证明的是量子线路模型和one way quantum computationmodel，绝热量子计算模型都是等价的。但是基于这3种模型来设计出的量子计算机是千差万别的。

我比较熟悉的是光子（线性光学）和核磁共振，腔QED还行。所以我详细一些说下光子系统和核磁共振系统的实现方法。当然基于约瑟夫森结的超导系统也会提到，毕竟这是大名鼎鼎的D-wave的实现方法。

当今的计算机厂商提供的强大计算处理能力仍不能满足我们对运算速度和运算能力的渴求。1947 年，美国计算机工程师霍华德·艾肯 (Howard Aiken) 曾说，只要六台电子数字计算机就可以满足全美国的计算需要。其他人也做过类似的错误估计，说什么仅需多少计算能力就能满足我们不断增长的技术需求。当然，艾肯没有算上日后科学研究产生的大量数据，以及个人计算机的普及，还有互联网的崛起：所有这些都使我们对计算能力的需求与日俱增。

我们是否终有一天能够拥有需要的或是希望的计算能力呢？如果像摩尔定律指出的那样，微处理器上的晶体管数目保持每18个月翻一番，那么到2020或2030年微处理器上的线路就会到达原子水平了。顺理成章的下一步将是建造量子计算机，充分驾驭原子和分子的能力，将其用于存储和计算工作。量子计算机在进行某些计算的时候可以比任何硅基计算机快出很多。

科学家已经建造起一些能够完成某种运算的简单量子计算机，但要制造实用的量子计算机还要等上很多年。

量子计算的起源距离现在并不很远。尽管计算机早在上世纪四十年代就已出现，但量子计算的理论在20年前才由美国阿贡国家实验室的一位物理学家首次提出。世人公认保罗·贝尼奥夫 (Paul Benioff) 在1981年第一次将量子理论用于计算机，提出了制造量子图灵机的理论。大部分数字计算机，比如您正用来阅读文章的这台，都是基于图灵理论的。

时空是能量的转换和衍化，量子计算机或许是能量从点到面再从面到点的衍化。

让我们从认论的角度来理解，这是认知三态在在科学技术中得到了验证。所谓认知三态就是偶然性未发生之前的可能性，这样说太抽象。换句话说，就是显性、隐性、与或显或隐的可能性。当显性被确认，可能性消失，隐性消失。当隐性被确认，可能性消失、显性消失。这种现象在人们的生活中是经常出现的。只是人们没有注意这种现象。譬如猜谜游戏、抛币游戏，掷骰子游戏，都存在人的认知三态现象。攥拳头的手未伸开之前是猜谜者所处的叠加态，未落下的硬币是一种叠加态，正在摇动的骰子是一种叠加态。认知三态的叠加态有一种二选一的可能性。鼠标未点击之前存在叠加态，点击后，被点击的确认态被得到确认的同时抛弃叠加态，这是一种信息确认跷跷板，一头高另一头必然低。在量子在已知一端失去量子，另一端必然增加量子，一端增加量子另一端必然失去量子。这才能与二进制的0/1相吻合。

不要轻易在互联网上谈技术，要注意保守国家秘密，特别是高科技机密。